Sistema acuoso de dos fases

Los sistemas bifásicos acuosos ( ABS ) o sistemas acuosos de dos fases ( ATPS ) son alternativas limpias a los sistemas tradicionales de extracción con disolventes orgánicos y acuosos .

Los sistemas acuosos de dos fases (ABS) se forman cuando se mezclan dos polímeros , un polímero y una sal cosmotrópica , o dos sales (una sal caotrópica y otra cosmotrópica) en concentraciones apropiadas o a una temperatura particular. Las dos fases están compuestas principalmente de agua y componentes no volátiles, eliminando así los compuestos orgánicos volátiles . Se han utilizado durante muchos años en aplicaciones biotecnológicas como medios de separación no desnaturalizantes y benignos. Recientemente, se ha descubierto que los sistemas acuosos de dos fases (ATPS) pueden utilizarse para separaciones de iones metálicos como mercurio y cobalto, ^{[ 1 ]} nanotubos de carbono , ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} remediación ambiental , aplicaciones metalúrgicas y como medio de reacción.

En 1896, Beijerinck observó por primera vez una "incompatibilidad" en soluciones de agar , un polímero soluble en agua, con almidón o gelatina solubles . ^{[ 5 ]} Al mezclarse, se separaron en dos fases inmiscibles .

Investigaciones posteriores permitieron determinar muchos otros sistemas bifásicos acuosos, entre los que destaca el sistema polietilenglicol (PEG) -dextrano , el más estudiado. Otros sistemas que forman bifases acuosas son: PEG- carbonato de sodio o PEG- fosfatos , citratos o sulfatos . Los sistemas bifásicos acuosos se utilizan en procesos posteriores, principalmente en las industrias biotecnológica y química.

Es común observar que, al verter aceite y agua en un mismo recipiente, se separan en dos fases o capas debido a su inmiscibilidad . En general, las soluciones acuosas (o a base de agua), al ser polares, son inmiscibles con disolventes orgánicos no polares ( aceite de cocina , cloroformo , tolueno , hexano , etc.) y forman un sistema de dos fases. Sin embargo, en un sistema bifásico acuoso (ABS), ambos componentes inmiscibles son a base de agua.

La formación de las distintas fases se ve afectada por el pH , la temperatura y la fuerza iónica de los dos componentes, y la separación se produce cuando la cantidad de polímero presente supera una determinada concentración límite (que está determinada por los factores anteriores).

La técnica ABS es excelente para la extracción de proteínas , enzimas y otras biomoléculas lábiles a partir de extractos celulares crudos u otras mezclas. Con frecuencia, esta técnica se emplea en la tecnología enzimática durante la producción industrial o de laboratorio de enzimas.

• Proporcionan condiciones suaves que no dañan ni desnaturalizan las biomoléculas inestables/lábiles.
• La tensión interfacial (en la interfaz entre las dos capas) es mucho menor (400 veces menor) que en los sistemas de disolventes orgánicos-agua utilizados para la extracción con disolventes , lo que provoca menos daño a la molécula que se va a extraer.
• La capa de polímero estabiliza las moléculas de proteína extraídas, favoreciendo una mayor concentración de la proteína deseada en una de las capas, lo que resulta en una extracción eficaz.
• Se pueden desarrollar sistemas especializados (variando factores como la temperatura, el grado de polimerización, la presencia de ciertos iones, etc.) para favorecer el enriquecimiento de un compuesto específico, o una clase de compuestos, en una de las dos fases. A veces se utilizan simultáneamente con resinas de intercambio iónico para una mejor extracción.
• La separación de las fases y la distribución de los compuestos se producen rápidamente. Esto permite extraer la molécula deseada antes de que las proteasas endógenas puedan degradarla.
• Estos sistemas son escalables, desde instalaciones de laboratorio hasta aquellas que pueden satisfacer las necesidades de la producción industrial. Pueden emplearse en procesos continuos de extracción de proteínas.

La especificidad puede incrementarse aún más mediante la incorporación de ligandos específicos para la enzima deseada al polímero. Esto da como resultado una unión preferencial de la enzima al polímero, lo que aumenta la eficacia de la extracción.

Una desventaja importante, sin embargo, es el costo de los materiales involucrados, en particular los dextranos de alta pureza utilizados para este fin. No obstante, también existen otras alternativas de bajo costo, como dextranos menos refinados, derivados de almidón hidroxipropílico y soluciones con alta concentración de sal.

Además del estudio experimental, es importante contar con un buen modelo termodinámico para describir y predecir las condiciones de equilibrio líquido-líquido en ingeniería y diseño. Para obtener parámetros globales y fiables para los modelos termodinámicos, generalmente se utilizan datos de equilibrio de fases. Dado que en los sistemas polímero/sal hay polímero, electrolito y agua, se deben tener en cuenta todos los tipos de interacciones. Hasta ahora, se han utilizado varios modelos, como NRTL, Chen-NRTL, Wilson, UNIQUAC, NRTL-NRF y UNIFAC-NRF. Se ha demostrado que, en todos los casos, los modelos mencionados lograron reproducir con éxito los datos de líneas de enlace de sistemas acuosos bifásicos polímero/sal. En la mayoría de los trabajos anteriores, se han utilizado funciones de Gibbs en exceso para el modelado. ^{[ 7 ]}

• Albertsson, PA (1986). Partición de partículas celulares y macromoléculas . John Wiley & Sons.
• Zaslavsky, Boris (1995). Partición acuosa de dos fases: química física y aplicaciones bioanalíticas . Marcel Dekker Inc. ISBN 978-0-8247-9461-3.
• Bakhshi, Hamid; Mobalegholeslam, Poorya (2017). "Cálculos de equilibrio de fases de soluciones electrolíticas que contienen agua-polímero-sal utilizando un nuevo modelo termodinámico, aplicable en sistemas acuosos de dos fases". Fluid Phase Equilibria . 434 : 222–32 . doi : 10.1016/j.fluid.2016.11.033 .
• Hamta, Afshin; Dehghani, Mohammad Reza; Gholami, Mahsa (2017). "Datos experimentales sobre un sistema acuoso de dos fases que contiene PEG-6000 y Na2CO3 a T = (293,15, 303,15 y 313,15) K"". Journal of Molecular Liquids . 241 : 144– 149. doi : 10.1016/j.molliq.2017.05.149 .

• Universidad London South Bank sobre ABS